CN204697337U

CN204697337U - 一种情景模拟照明系统

Info

Publication number: CN204697337U
Application number: CN201520318241.0U
Authority: CN
Inventors: 潘玉灼
Original assignee: Quanzhou Normal University
Current assignee: Quanzhou Normal University
Priority date: 2015-05-18
Filing date: 2015-05-18
Publication date: 2015-10-07
Anticipated expiration: 2025-05-18

Abstract

本实用新型公开了一种情景模拟照明系统，其包括开关电源；具有三个矩形方波输出端的单片机控制电路；连接于单片机控制电路的控制端，用以调节单片机控制电路的三个矩形方波输出端所输出的矩形方波的占空比的操作电路；分别对应连接于单片机控制电路的三个矩形方波输出端的红光LED驱动电路、绿光LED驱动电路、蓝光LED驱动电路；分别连接于红光LED驱动电路、绿光LED驱动电路和蓝光LED驱动电路的输出端的红光LED、绿光LED和蓝光LED。本实用新型通过操作电路对单片机控制电路发出控制指令，使其输出变化的脉宽信号给各LED驱动电路，从而改变不同色温LED的驱动电流，实现LED灯显色指数与亮度的调节，根据情景模拟出所需的灯光。

Description

一种情景模拟照明系统

技术领域

本实用新型涉及照明领域，具体涉及一种情景模拟照明系统。

背景技术

传统照明系统存在亮度固定，不节能，还存在光斑小、不可调制等缺陷，远不能适应现代社会的要求。依照不同的情景，营造出适合心理、降低劳累感的灯光亮度，合成一种舒适的灯光环境，是一种主流追求。

LED灯具有窄带、直流供电、体积小、寿命长、节能环保等优点，但也存在光谱单一，发热量大等缺陷。为了实现亮度与色温可调，可用如下设计方法：

①采纳不同色彩的LED合成，利用三基色红(R)光LED、绿(G)光LED、蓝(B)光组合，通过分别控制红绿蓝光的驱动电流，可以实现色温与显色指数(Ra)大于90的可调LED灯，但其驱动电路复杂，成本较高。

②利用多种颜色的荧光灯合成，如利用红(R)色、蓝(B)光和绿(G)色三种颜色组合，合成色温可变与显色指数(Ra)大于80的荧光灯，但以蓝荧光灯激发红荧光灯的激发效率极其低，且导致荧光灯照度极低、可用性差。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种情景模拟照明系统，其实现了对LED灯显色指数与亮度的调节，可根据情景模拟出所需的灯光。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种情景模拟照明系统，包括：

为整个系统提供工作电源的开关电源；

具有三个矩形方波输出端的单片机控制电路；

以有线或无线的方式连接于单片机控制电路的控制端，用以调节单片机控制电路的三个矩形方波输出端所输出的矩形方波的占空比的操作电路；

分别对应连接于单片机控制电路的三个矩形方波输出端的红光LED驱动电路、绿光LED驱动电路、蓝光LED驱动电路；

分别连接于红光LED驱动电路、绿光LED驱动电路和蓝光LED驱动电路的输出端的红光LED、绿光LED和蓝光LED。

所述单片机控制电路采用STM32F103C8T6芯片及其外围电路。

所述单片机控制电路的通讯接口连接有蓝牙模块、红外模块或NRF模块。

所述红光LED驱动电路、绿光LED驱动电路和蓝光LED驱动电路均包括无感电阻、三极管和功率管，无感电阻的一端连接于所述单片机控制电路相应的矩形方波输出端，另一端连接三极管的基极，三极管的发射极接地，集电极连接功率管的栅极，功率管的漏极接电源，源极连接所述红光LED、绿光LED或蓝光LED。

所述红光LED由两个红光LED串联而成，所述绿光LED由两个绿光LED串联而成，所述蓝光LED由两只蓝光LED串联而成。

所述操作电路设有分别对应选择早上的阳光、中午的阳光和傍晚的阳光的操作部件，所述单片机控制电路预置有分别对应于此三种阳光的混色模式，早上的阳光的混色模式为：绿光占空比35.6％，蓝光占空比8.9％，红光占空比50％；中午的阳光的混色模式为：绿光占空比8.9％，蓝光占空比26％，红光占空比8.9％；傍晚的阳光的混色模式为：绿占空比44％，蓝光占空比8.9％，红光占空比44.4％。

采用上述方案后，本实用新型的情景模拟照明系统，选用PWM调度技术管理情景灯亮暗，经过知矩形方波的周期改动达到调度频率，经过改动占空比兑现调度脉宽，利用简单的办法实现管理流过的LED电流，从而使LED点亮并持续工作，随占空比不断变化，驱动电路输出的电流恒定在不同值，LED亮暗不断变化。工作时，通过操作电路对单片机控制电路发出控制指令，单片机控制电路输出变化的脉宽信号给各LED驱动电路，从而改变不同色温LED的驱动电流，进而改变不同色温LED的光通量，也就改变不同色温LED的光谱功率分布曲线，则由不同色温LED产生的新的光谱功率分布曲线叠加混合形成一条新的光谱功率分布曲线，也就得到动态可调的情景模拟LED。本实用新型通过操作电路进行操作，可实现对LED灯显色指数与亮度的调节，从而根据情景模拟出所需的灯光。

进一步地，功率管的栅极驱动采用简单的三极管驱动放大电路，以改善功率管的导通过程，减少驱动电源的功率。当单片机控制电路直接驱动功率管时会引起被驱动功率的快速开通和关断，这就可能造成被驱动功率管漏源极间电压的振荡。一则引起射频干扰；二则有可能造成功率管遭受过高的电压而击穿损坏。为解决这一问题，本实用新型在被驱动功率管的栅极与单片机控制电路的输出之间串联一只无感电阻。

进一步地，本实用新型在单片机控制电路预置有分别对应于早上、中午、傍晚三种阳光的混色模式，用户根据情景需要可通过操作部件方便地选择所要的混色模式，从而模拟得到早上、中午或傍晚的灯光。

进一步地，本实用新型的情景模拟照明系统，单片机控制电路的通讯接口连接有红外模块、蓝牙模块或NRF模块，通过此红外模块、蓝牙模块或NRF模块，配合遥控端(操作电路)，可对单片机控制电路进行远程控制，使用很方便。

附图说明

图1为本实用新型的系统框图；

图2为本实用新型中单片机控制电路和LED驱动电路的电路原理图；

图3为LED脉冲宽度调制的波形图；

图4a为本实用新型模拟早上的阳光时示波器显示的波形图；

图4b为本实用新型所模拟的早上的阳光示意图；

图5a为本实用新型模拟中午的阳光时示波器显示的波形图；

图5b为本实用新型所模拟的中午的阳光示意图；

图6a为本实用新型模拟的傍晚的阳光时示波器显示的波形图；

图6b为本实用新型所模拟的傍晚的阳光示意图。

具体实施方式

LED是一个二极管，开关可实现快速开启和关闭。所以，只需要使用脉冲恒流源来驱动，然后通过改变脉冲宽度的不同，以此来实现调光。这样的方法我们就称为脉宽调制(PWM)调光。其调光原理为:使得接通和断开LED的时间比值(占空比)的改变来达到调光目的。LED脉冲宽度调制的波形如图3。

其占空比D(或称为工作比)为：

D＝t_on/T (1-1)

选用PWM调度技术管理情景灯亮暗，经过矩形方波的周期改动达到调度频率，经过改动占空比兑现调度脉宽，利用简单的办法实现管理流过的LED电流，从而使LED点亮并持续工作,随占空比不断变化，驱动电路输出的电流恒定在不同值，LED亮暗不断变化。

本实用新型经过控制PWM脉宽来改变LED工作电流，调度LED灯的亮暗，实现了对LED灯显色指数的调度，模拟情景灯光色温的转变。经过验证模拟情景灯光的光谱，将不同色温LED进行混合，分别调节PWM脉宽可以得到不同色温和显色指数的混合灯。

作为一个具体的实施方式，本实用新型的一种情景模拟照明系统，如图1所示，包括：

为整个系统提供工作电源的开关电源1；

具有三个矩形方波输出端的单片机控制电路2；

以有线或无线的方式连接于单片机控制电路2的控制端，用以调节单片机控制电路2的三个矩形方波输出端所输出的矩形方波的占空比的操作电路3；

分别对应连接于单片机控制电路2的三个矩形方波输出端的红光LED驱动电路4、绿光LED驱动电路5、蓝光LED驱动电路6；

分别连接于红光LED驱动电路4、绿光LED驱动电路5和蓝光LED驱动电路6的输出端的红光LED7、绿光LED8和蓝光LED9。

如图2所示，单片机控制电路2采用控制芯片(STM32F103C8T6)U1及其外围电路。STM32F103C8T6是一款中等容量加强型芯片，具有48个IO端口及内部布局与先进指令集,内嵌出厂调校的8MHzRC振荡器，通过以上的优势支撑使设计变得更为简易。

红光LED驱动电路4、绿光LED驱动电路5和蓝光LED驱动电路6均相同，这里以红光LED驱动电路4为例，红光LED驱动电路4包括无感电阻R1、三极管Q1和功率管Q4，无感电阻R1的一端连接于控制芯片U1相应的矩形方波输出端(11脚)，另一端连接三极管Q1的基极，三极管Q1的发射极接地，集电极连接功率管Q4的栅极，功率管Q4的漏极接电源，源极连接红光LED7。

在实际应用中，红光LED7可以由两个红光LED串联而成(如图2中的LED1、LED2)，绿光LED8可以由两个绿光LED串联而成(如图2中的LED3、LED4)，蓝光LED9可以由两只蓝光LED串联而成(如图2中的LED5、LED6)。

作为较佳的实施例，为了迎合早上、中午和傍晚的三个情景，本实用新型中，操作电路3设有分别对应选择早上的阳光、中午的阳光和傍晚的阳光的操作部件，控制芯片U1预置有分别对应于此三种阳光的混色模式。具体地：早上的阳光的混色模式为：绿光占空比35.6％，蓝光占空比8.9％，红光占空比50％；示波器显示的波形图如图4a所示，所模拟出来的阳光如图4b所示。中午的阳光的混色模式为：绿光占空比8.9％，蓝光占空比26％，红光占空比8.9％；示波器显示的波形图如图5a所示，所模拟出来的阳光如图5b所示。傍晚的阳光的混色模式为：绿占空比44％，蓝光占空比8.9％，红光占空比44.4％；示波器显示的波形图如图6a所示，所模拟出来的阳光如图6b所示。

为了控制单片机控制电路所输出的矩形波的占空比，可在控制芯片U1的相应控制端连接有按键等操作部件，通过此操作部件对单片机控制电路进行现场控制，调节三种矩形波的占空比，实现对LED灯显色指数与亮度的调节，从而根据情景模拟出所需的灯光。为了方便使用，可通过无线的方式对单片机控制电路进行控制，如，通过单片机控制电路的通讯接口连接有红外模块、蓝牙模块或NRF模块，配合遥控端对单片机控制电路进行远程控制，调节三种矩形波的占空比，实现对LED灯显色指数与亮度的调节，从而根据情景模拟出所需的灯光。采用远程控制的方式大大改善了用户的作业难度，而且可以根据用户自行需求实时根据情况改变LED灯亮度节约能源。

本系统具备体积小、硬件少、电路结构单一及容易操作等优异。实现各种灯光情景的变换，和照明的人性化,有效降低能耗指标。

Claims

1.一种情景模拟照明系统，其特征在于，包括：

为整个系统提供工作电源的开关电源；

具有三个矩形方波输出端的单片机控制电路；

2.根据权利要求1所述的一种情景模拟照明系统，其特征在于：所述单片机控制电路采用STM32F103C8T6芯片及其外围电路。

3.根据权利要求1或2所述的一种情景模拟照明系统，其特征在于：所述单片机控制电路的通讯接口连接有蓝牙模块、红外模块或NRF模块。

4.根据权利要求1所述的一种情景模拟照明系统，其特征在于：所述红光LED驱动电路、绿光LED驱动电路和蓝光LED驱动电路均包括无感电阻、三极管和功率管，无感电阻的一端连接于所述单片机控制电路相应的矩形方波输出端，另一端连接三极管的基极，三极管的发射极接地，集电极连接功率管的栅极，功率管的漏极接电源，源极连接所述红光LED、绿光LED或蓝光LED。

5.根据权利要求1所述的一种情景模拟照明系统，其特征在于：所述红光LED由两个红光LED串联而成，所述绿光LED由两个绿光LED串联而成，所述蓝光LED由两只蓝光LED串联而成。

6.根据权利要求1所述的一种情景模拟照明系统，其特征在于：所述操作电路设有分别对应选择早上的阳光、中午的阳光和傍晚的阳光的操作部件，所述单片机控制电路预置有分别对应于此三种阳光的混色模式，早上的阳光的混色模式为：绿光占空比35.6％，蓝光占空比8.9％，红光占空比50％；中午的阳光的混色模式为：绿光占空比8.9％，蓝光占空比26％，红光占空比8.9％；傍晚的阳光的混色模式为：绿占空比44％，蓝光占空比8.9％，红光占空比44.4％。